Izmeritelnye_preobrazovateli_Mironov
.pdf
Более детально затронутые вопросы рассмотрены в литературных источ-
никах [1; 2; 5; 8; 35; 36].
17.2. Магнитоэлектрические приборы
Приборы магнитоэлектрической системы основаны на использовании взаимодействия поля постоянного магнита и катушки (рамки), обтекаемой электрическим током. Конструктивно магнитоэлектрические приборы могут быть выполнены с подвижной рамкой и с подвижным магнитом. Наибольшее распространение получили приборы с подвижной рамкой и внешним постоянным магнитом. Устройство такого прибора схематически показано на рис. 17.2.
|
Рис. 17.2. Схема магнитоэлектрического прибора с подвижной рамкой: |
|||
1– рамка; |
(+•) – направление тока в обмотках рамки; |
|||
2 |
– обмотка рамки; |
(F–F) – пара сил, действующих на рамку; |
||
3 |
– спиральная пружина; |
(N–S) – полюсные наконечники постоянного маг- |
||
4 |
– ферромагнитный сердеч- |
нита; |
||
α – угол поворота подвижной части; |
||||
ник; |
|
|
|
|
5 |
– магнитный шунт; |
|
|
– магнитная индукция; |
B |
||||
6 |
– стрелка; |
c/2 – половина ширины рамки |
||
Постоянный магнит с магнитопроводом и полюсными наконечниками (на рис. 17.2 изображены только полюсные наконечники N–S) создает в воздушном зазоре магнитное поле с индукцией B . Благодаря цилиндрическому сердечнику 4 индукция в воздушном зазоре радиальная и равномерная за исключением поля на краях полюсных наконечников («краевой эффект»). На рис. 17.2 краевой эффект (для наглядности) несколько преувеличен. В достоверности искажение магнитного поля на краях полюсных наконечников меньше показанного на
281
схеме. Магнитный шунт 5 служит для регулировки значения магнитной индукции в некоторых пределах (от 5 до 10 %), что позволяет изменять пределы измерения прибора. Магнитопровод, полюсные наконечники и магнитный шунт изготовляются из магнитомягкого материала.
Стрелка 6 жестко связана с рамкой 1. Спиральная пружина 3 служит для создания момента, противодействующего повороту рамки и стрелки. На рис. 17.2 показана одна спиральная пружина. В реальных приборах спиральных пружин две (или несколько), и они служат не только для создания противодействующего момента, но и для токоподвода к обмотке рамки. Рамка имеет прямоугольную форму. Ширина рамки – «с», ее длина – «b». При протекании по обмотке рамки постоянного тока I происходит его взаимодействие с магнитным полем и возникает пара сил «F–F», стремящихся повернуть рамку. Направление действия сил определяется правилом левой руки. Оно зависит от направления индукции магнитного поля и направления тока (направление индукции показано на рис. 17.2 стрелками, направление тока «от нас» показано знаком «+», направление тока «к нам» показано знаком «•». Значение каждой из сил F определяется соотношением
|
F = B·I·w |
|
(17.1) |
|||
где w – число витков обмотки рамки. |
|
|
|
|
||
Каждая из сил F действует на плече «с/2». Вместе силы «F–F» создают |
||||||
вращающий момент: |
|
|
|
|
|
|
−Mвр. |
= F |
c |
+ F |
c |
= F c |
(17.2) |
|
|
|||||
|
2 |
2 |
|
|
||
где с – ширина рамки.
ВращающиймоментуравновешиваетсяпротиводействующиммоментомМпр:
−Mпр. = D α |
(17.3) |
где D – удельный противодействующий момент;
α– угол поворота подвижной части прибора.
Вмомент считывания показаний Мвр = Мпр, т. е. можно записать:
F·c = D·α |
(17.4) |
282
B · w · b · c · I |
= D · α |
(17.5) |
||
Решая уравнение (17.5) относительно α, получаем |
|
|||
α = |
1 |
B w |
b c I , |
|
D |
(17.6) |
|||
k1 |
= |
B w b c |
(17.7) |
|
|
|
D |
, |
|
|
|
α = k·I |
(17.8) |
|
Полученное выражение (17.8) носит название «уравнение шкалы». Согласно уравнению шкалы угол отклонения подвижной части приборов магнитоэлектрической системы пропорционален току, протекающему по обмотке рамки. Коэффициент пропорциональности kl (см. (17.7)) называется чувствитель-
ностью по току.
Значение kl является величиной постоянной, зависящей от конструктивных параметров измерительного механизма и не зависящей от измеряемого тока I. Поэтому шкалы магнитоэлектрических приборов равномерны. Изменение направления тока ведет к изменению направления угла отклонения подвижной части прибора.
Приборы магнитоэлектрической системы могут использоваться как для измерения постоянных токов, так и для измерения постоянных напряжений. При измерении постоянного напряжения уравнение шкалы (см. (17.8)) принимает вид
(17.8а)
где k2 – постоянный коэффициент, характеризующий чувствительность по на-
пряжению;
U – измеряемое напряжение.
При измерении постоянных токов и напряжений рассматриваемые магнитоэлектрические приборы являются самыми чувствительными и точными среди электромеханических приборов. Температура окружающей среды и внешние магнитные поля мало влияют на их работу. Равномерный характер шкалы и
283
малое потребление энергии также являются достоинствами этих приборов. Магнитоэлектрические приборы реагируют только на постоянную составляющую измеряемого тока или напряжения. Для измерений в цепях переменного тока требуется предварительное преобразование переменных величин в постоянные. К недостаткам этих приборов следует отнести их малую перегрузочную способность (сгорают токоподводы). Знак приборов магнитоэлектрической системы, наносимой на шкалу, приведен в прил. 4.
На основе магнитоэлектрических механизмов строятся приборы для измерения постоянных токов (амперметры), постоянных напряжений (вольтметры), электрических сопротивлений (омметры), малых токов и напряжений (гальванометры), количества электричества (баллистические гальванометры) и т. п.
Дополнительные сведения по затронутым вопросам приведены в литера-
туре [1; 2; 5; 8; 35].
17.3. Электромагнитные приборы
Приборы электромагнитной системы основаны на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке, с подвижным ферромагнитным сердечником. В настоящее время находят применение электромагнитные механизмы с плоской катушкой и механизмы с круглой катушкой.
Схема, поясняющая принцип работы приборов электромагнитной системы, приведена на рис. 17.3.
При протекании тока I по катушке 1 создается магнитное поле, под действием которого сердечник 2 втягивается внутрь катушки. Благодаря тому, что сердечник выполнен из магнитомягкого материала, он втягивается в катушку независимо от направления тока (и соответственно независимо от полярности приложенного к катушке напряжения U). С сердечником 2 жестко связаны пружина 3 и стрелка (указатель) 4.
Пружина создает противодействующий момент, а стрелка позволяет проводить отсчет показаний по шкале 5.
Для быстрейшего «успокоения» подвижной части прибора используются
специальные успокоители (обычно воздушные). Успокоители на рис. 17.3 не
284
показаны. Возможные конструкции успокоителей приведены, например, в [1; 2]. Рассмотренные ранее магнитоэлектрические приборы в специальных успокоителях не нуждались. Необходимое «успокоение» подвижной части этих приборов достигалось за счет взаимодействия вихревых токов, наводимых в рамке устройства, с магнитным полем.
Рис. 17.3 Схема прибора электромагнитной системы:
1 – катушкасчисломвитковw ииндуктивностьюL; 2 – ферромагнитный сердечник (из магнитомягкого материала); 3 – пружина (с удельным противодействующим моментом D); 4 – стрелка; 5 – шкала
Положение подвижной части прибора электромагнитной системы в установившемся режиме можно определить из условия равенства вращающего и противодействующего моментов.
Согласно законам механики выражение для «вращающего» момента имеет вид
M = dW |
, |
(17.9) |
dx |
|
|
где М – «вращающий» момент, перемещающий подвижную часть устройства; W – электрокинетическая энергия;
х– координатаподвижнойчастиустройства.
285
|
|
|
1 |
|
|
2 |
dL |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
m(t) = 2 |
[i(t)] |
|
dα , |
|
|
|
|
(17.17) |
|||
|
|
|
|
T T∫ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
M = |
1 |
|
1 |
m(t)dx . |
|
|
|
|
(17.18) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Подставляя B (17.18) значение m(t), получаем |
|
|
|
|||||||||||
M cр = |
1 |
T 1 |
[i(t)]2 dL dt = 1 |
dL |
|
1 |
T [i(t)]2 dt |
. |
(17.19) |
|||||
|
T |
∫0 2 |
dα |
|
2 |
dα |
|
T |
∫0 |
|||||
Среднее значение вращающего момента (на которое реагирует прибор) с учетом (17.16) принимает вид
M cр |
= |
1 |
I 2 |
dL |
(17.20) |
|
|
2 |
|
dα . |
Учитывая, чтовустановившемсярежимеМср = Мпр, можнозаписать:
1 |
I |
2 |
|
dL |
= D α . |
(17.21) |
2 |
|
α |
||||
|
|
|
d |
|
|
Решая (17.21) относительно α, окончательно получим
α = |
1 |
I |
2 |
|
dL |
|
2D |
|
dα , |
(17.22) |
где I – действующее значение переменного тока.
Выражение (17.22) носит название «уравнение шкалы» (или «уравнение преобразования») приборов электромагнитной системы на переменном токе.
Полученные соотношения (17.14) и (17.22) позволяют сделать вывод о нелинейности шкалы рассматриваемых приборов. Начало и конец шкалы сжаты (особенно начало). В результате до 10 % шкалы в ее начале вообще не используется. Середина шкалы имеет благоприятный равномерный характер.
На основе электромагнитных механизмов строятся приборы для измерения постоянных и переменных токов (амперметры), постоянных и переменных напряжений (вольтметры) и резонансные (вибрационные) частотомеры.
К достоинствам приборов электромагнитной системы относят: простоту конструкции, низкую стоимость, надежность, способность выдерживать боль-
287
шие перегрузки и универсальность (возможность использования в цепях постоянного и переменного тока).
К недостаткам этих приборов следует отнести: большое собственное потребление энергии, сравнительно малые чувствительность и точность, сильное влияние внешних магнитных полей. Последнее обстоятельство вынуждает применять специальные методы защиты (магнитные экраны и астазирование).
Приборы электромагнитной системы применяют обычно как щитовые амперметры и вольтметры переменного тока промышленной частоты (с классами точности 1,5 и 2,5). В отдельных случаях они используются на повышенных частотах (до нескольких сотен и даже тысяч герц). Эти приборы могут также использоваться как лабораторные переносные приборы классов точности
0,5 и 1,0.
Знак приборов электромагнитной системы, наносимый на шкалу, приведенв прил. 4. Приборы описаны в литературе [1; 2; 5; 8; 35].
17.4. Электродинамические приборы
Приборы электродинамической системы основаны на взаимодействии магнитных полей двух неподвижных и одной подвижной катушек, по которым протекает ток.
Схема, поясняющая принцип работы приборов электродинамической системы, приведена на рис. 17.4.
Рис. 17.4. Схема приборов электродинамической системы:
1 – неподвижные катушки; 2 – подвижная катушка; 3 – спиральная пружина; 4 – стрелка; 5– шкала; α – уголповоротаподвижнойчастиприбора
288
α = |
1 |
I1 I 2 |
dM |
(17.27) |
D |
α . |
|||
|
|
d |
|
Полученное выражение (17.27) носит название «уравнение шкалы» (или «уравнение преобразования») приборов электродинамической системы на по-
стоянном токе. |
|
Рассмотрим работу приборов на переменном токе: |
|
i1 = I1m sinωt , |
(17.28) |
i2 = I2m sin(ωt −ϕ) , |
(17.29) |
где i1, i2 – мгновенные значения токов; |
|
I1m, I2m – амплитудные значения токов; |
|
φ – фазовый сдвиг между токами i1 и i2. |
|
Мгновенное значение вращающего момента: |
|
m(t) = i1 (t) i2 (t) dM |
(17.30) |
dα . |
Среднее значение вращающего момента, на которое реагирует прибор:
|
T |
∫0 |
|
M cp = |
1 |
T m(t)dt . |
(17.31) |
|
Подставляя в (17.31) значение величины m(t), определяемое соотношением (17.30), получим
Mcp = |
1 |
T |
I1m sin ωt I2m sin(ωt −φ) dM |
, |
(17.32) |
||
T |
∫0 |
||||||
|
|
dα |
|
|
|||
|
|
|
M cp = I1 I 2 |
cosϕ dM |
|
(17.33) |
|
|
|
|
|
dα , |
|
||
где I1, I2 – действующие значения токов.
Приравняв значение Мср значению противодействующего момента Мпр, определяемого соотношением (17.25), и решив полученное равенство относительно угла поворота α, получим
α = |
1 |
I1I2 |
cosϕ dMα . |
(17.34) |
|
D |
|
d |
|
|
|
290 |
|
|